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Elektrische Messtechnik

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Promotionsprüfung von Dipl.-Ing. Carsten Unverzagt

Am 03.05.2018 absolvierte Herr Carsten Unverzagt (bis Ende 2014 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Elektrische Messtechnik) erfolgreich die mündliche Prüfung in seinem Promotionsverfahren. Der Titel seiner Dissertation lautete: Sensitivitätssteigerung durch Elektrodenmodifikation für die Materialparameterbestimmung von Piezokeramiken. Das Fachgebiet Elektrische Messtechnik gratuliert Herrn Unverzagt zur bestandenen Prüfung und wünscht ihm weiterhin viel Erfolg für die berufliche Karriere und alles Gute im persönlichen Leben!

Kurzfassung

Simulationen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) sind heute ein fester Bestandteil im Entwicklungsprozess von Ultraschallsystemen. Durch die simulative Ermittlung der transienten Schwingungsvorgänge können Optimierungen bezüglich gewünschter Zielkriterien vorgenommen werden, und die aufwendige Prototypenfertigung lässt sich reduzieren.

In vielen Ultraschallwandlern bildet eine Piezokeramik das aktive Element. Für eine realitätsnahe Simulation ist es notwendig, dass die Materialparameter dieser Piezokeramik zur Beschreibung des Materialverhaltens präzise bekannt sind. Zur Bestimmung werden verschiedene Verfahren eingesetzt, die sich in analytische und numerische Verfahren unterteilen lassen. Bei den analytischen Verfahren werden durch Vorgabe geometrischer Randbedingungen bestimmte Schwingungsformen separiert, für die sich analytische Lösungen angeben lassen und so jeweils einige Materialparameter bestimmt werden können. Für eine vollständige Ermittlung sind deshalb verschiedene Probekörper mit unterschiedlichen Geometrien nötig. Da sich die jeweils relevanten Frequenzbereiche hierbei unterscheiden und auch eine unterschiedliche Prozessierung der verschiedenen Probekörper nicht vermeidbar ist, ist die Ermittlung eines konsistenten Materialparametersatzes auf diese Weise schwierig.

Zur Bestimmung von Materialparametern für die FEM-Simulation werden deshalb heute vermehrt numerische Verfahren in Form eines inversen Ansatzes eingesetzt. Hierbei wird ein simulierter an einen gemessenen Impedanzverlauf durch Variationen der Materialparameter im Rahmen einer Optimierung angeglichen. Um eine für die Optimierung der Materialparameter erforderliche hohe Anzahl an Simulationen zu ermöglichen, ist die Verwendung eines vereinfachten rotationssymmetrischen 2D-Modells der Piezokeramik sinnvoll. Die hohe Symmetrie dieser Piezokeramik führt jedoch dazu, dass einige der zu bestimmenden Materialparameter nur einen sehr geringen Einfluss auf den simulierten Impedanzverlauf haben und deshalb nach Abschluss der Optimierung eine vergleichsweise hohe Unsicherheit aufweisen. Bei der späteren Simulation von Wandlersystemen gewinnen diese Materialparameter aufgrund der dann erhöhten Zahl an Freiheitsgraden wieder an Relevanz.

Im Rahmen dieser Arbeit wird durch eine Modifikation der Elektroden zusammen mit einem angepassten elektrischen Vornetzwerk das elektrische Feld innerhalb der Piezokeramik verändert. Auf diese Weise wird die Sensitivität des Impedanzverlaufes für die üblicherweise schwierig zu bestimmenden Materialparameter erhöht und die Ermittlung eines konsistenten Materialparametersatzes an einer einzelnen Probe ermöglicht. Zur Beurteilung der Sensitivität des simulierten Impedanzverlaufes auf die verschiedenen Materialparameter kommt ein neues Sensitivitätsmaß zum Einsatz, mit dessen Hilfe die Materialparameterbestimmung durchgeführt wird.

Die Universität der Informationsgesellschaft